軟件體系結構設計案例分析

1、軟件體系結構設計案例,體系結構設計案例,科學數據共享網空中交通管制,科學數據共享網體系結構設計,科學數據共享網,,科學數據共享網的系統(tǒng)需求,“中國地球系統(tǒng)科學數據共享網”是國家科學數據共享工程的重要組成部分，同時也是科技部推動“國家科學數據共享工程”2002年試點的三個科學數據共享網之一。該系統(tǒng)針對基于各圈層（大氣圈、水圈、 生物圈）相互作用的地球系統(tǒng)科學的整體研究，利用互聯網，整合、集成各科研院所、高等院校和國際數據組織以及科學家

2、個人手中的相關專業(yè)數據資源，瞄準地球系統(tǒng)科學的前沿研究，開展數據組織、加工與服務，構建物理上分布、邏輯上統(tǒng)一的地球系統(tǒng)科學數據管理與共享服務網。這一工作對于增強我國基礎科學研究和前沿科學創(chuàng)新能力具有重要的意義。,數據方面的特殊需求和特點,能夠快捷地收集數據科學數據分散在科研院所和科學家手中，要設計開發(fā)一套收集數據的機制，使其能夠快速地整合到系統(tǒng)中，提供數據共享服務。數據收集的途徑應主要通過網絡媒介，而且不能影響系統(tǒng)所提供的網絡服務的

3、正常運行。有效存儲和管理海量數據，并快速定位數據該系統(tǒng)能夠提供目錄服務，合理地管理數據。提供用戶查閱、下載、使用數據的服務。當用戶在系統(tǒng)中查找數據時，希望能夠快速定位數據，提供服務，平均響應時間最長不超過20秒。,數據方面的特殊需求和特點,保護數據版權，保證數據的安全性科學數據是科學工作者辛勤勞動的果實，同書籍一樣也存在版權的問題。所以在數據的使用上，需要版權保護。此外，由于一些數據有其時效性和保密性，所以在提供服務時需要對

4、數據訪問進行相應的安全控制。,系統(tǒng)需求,架構師一般通過兩種途徑來獲得系統(tǒng)的需求：用戶直接主動地提供的需求（一般都是功能性需求和領域知識）希望“科學數據共享網”能通過Internet為用戶提供數據服務，包含：數據目錄服務、數據資源導航、數據下載功能、對數據進行穩(wěn)妥地安全管理。構架師設計“對話問題”，通過對用戶提問，進一步與他們溝通，從而得到明確的需求。構架師以用軟件系統(tǒng)各方面的質量屬性為索引，系統(tǒng)地啟發(fā)用戶談出他們實際需要、但沒有

5、表達出來或是表達不完全的內容。,非功能性需求,,科學數據共享網的體系結構？,科學數據共享網的體系結構,原型的體系結構及其分析根據需求，數據將以Internet為傳輸途徑完成共享。在目前以Internet為前提的系統(tǒng)中，應用最廣泛的是B/S（Browser /Server）結構。這樣的結構已經相當成熟，并具有很大的靈活性?？茖W數據共享網也是基于這樣初衷而設計的。,系統(tǒng)的原型設計,系統(tǒng)的原型設計,對于科學數據的存儲、管理、共享等諸多計算

6、都是由“中心”服務器承擔。在中心服務器中，又劃分了數據收集、數據訪問、平臺數據管理和平臺管理四個模塊。數據收集負責收集用戶通過Internet上載或是其它途徑（光盤、磁盤）提交上來的科學數據。數據訪問負責向用戶提供訪問科學數據的服務---查詢和下載平臺數據管理承擔了與數據庫交互，管理和存儲數據的工作。它提供的接口負責將收集的科學數據先暫存在平臺數據庫中；然后供工作人員對數據進行有效性檢查和加工，并將合法數據轉移到發(fā)布數據庫中；最后

7、管理發(fā)布數據庫中數據的接口提供數據的訪問服務。平臺管理承擔了管理用戶信息、管理用戶和數據的安全信息，以及生成平臺運行日志的任務。,,是否合適？,對原型系統(tǒng)的分析,所有的數據都由“中心”服務器負責存儲，并向用戶提供服務。這樣的結果是所有的用戶請求都由中心服務器來響應。即使內部的四個模塊部署到不同的服務器上，“平臺數據管理”和兩個數據庫所承擔的運算量也是可觀的?？紤]到未來的科學數據將會越來越龐大，大量的數據都存儲到服務器中，對服務器來

8、講必然是巨大的負擔。而且，數據管理和維護的成本也隨著數據量的增加而加大?！爸行摹狈掌鞒休d了眾多服務，因而其運算量會很繁重；因此為了達到性能方面的要求，對“中心”服務器的要求就會比較高，比如：增加內存容量，CPU數量。這也增加了系統(tǒng)的投入成本。有時，僅僅通過提高服務器的性能是不能夠達到性能方面要求的。,對原型系統(tǒng)的分析,請求都由“中心”服務器做出響應，一旦它出現了故障，無法提供服務，則存儲在系統(tǒng)中的科學數據就無法向外界提供共享服務。

9、補救辦法：增加備份服務器，組成集群當系統(tǒng)升級時，也會對所提供的服務造成影響。客戶要求盡量達到7×24小時服務，平均修復時間不超過2小時。實現客戶要求相當難度，成本也高。數據都存儲在一個系統(tǒng)內，采取了通過Internet上載或是其它途徑（光盤、磁盤等方式）提交科學數據的方式?？紤]到地學領域的數據通常是較大的地圖，網絡提交數據的方式會影響到“中心”服務器的數據吞吐量，降低了系統(tǒng)性能。,重新設計的面向服務的體系結構,體系結構說

10、明,面向服務的體系結構門戶（主數據中心），安全中心和分數據中心通過由Web Service構建的數據共享服務、全局服務、 安全服務相互連接，組成了科學數據共享網的體系結構。新的體系結構劃分了主數據中心、分數據中心和安全中心；三類中心分別有各自基于B/S結構的管理系統(tǒng)，相對獨立。遵循面向服務的體系結構思想，為了實現數據的共享服務，各個中心將服務內容封裝成Web Service，作為其他中心訪問本中心數據的入口，并通過Internet

11、傳輸數據。SOAP 提供一種簡單的、可擴展并且功能豐富的 XML 消息處理框架，用于定義高級別的應用程序協議，從而在分布式異構環(huán)境中提供更高的互操作性。,體系結構說明,在該系統(tǒng)中，科學數據存儲在各個數據中心上；各分數據中心通過數據服務的Web service組件向主數據中心公布其元數據信息，作為實現數據共享的基礎（元數據是描述數據的數據）。通過在主數據中心上查找元數據信息，可以快速地獲取科學數據的消息信息，定位數據訪問入口-----

12、某個分數據中心的數據共享服務，然后實現數據的訪問。,體系結構說明,主數據中心作為整個系統(tǒng)共享服務的一個入口，它提供了查詢主數據中心上元數據信息的服務；負責向分數據中心轉發(fā)用戶訪問科學數據的請求。分數據中心也可以作為共享服務的入口。每個分數據中心都具有各自的管理信息系統(tǒng)，收集和管理某個研究領域內的科學數據，用戶可以直接登錄某個分數據中心上訪問數據。加入了安全中心。用戶的基本信息，如密碼、住址、所屬單位等，都由安全中心保存和維護。安全中

13、心為所有數據中心提供了用戶的身份驗證、維護的安全服務。但是用戶訪問數據的權限則由各個數據中心獨立地設置和管理。,各中心的信息存儲結構,數據中心的分層體系結構,數據中心的分層體系結構,分層體系結構：某一層功能和實現的變化只是上下層有關（低耦合，可擴展、組件復用）安全管理：訪問權限日志管理：多種操作的記錄數據訪問層：審查、發(fā)布數據的操作應用服務層：多個共享服務組件共享服務接口：訪問接口、入口，重用部分應用服務組件主數據中心:

14、 全局服務分服務中心：數據收割（為主數據中心收集元信息）注意連接件設計 p133,安全中心的體系結構,體系結構分析,面向服務的體系結構是一種松耦合、協議和實現獨立的體系結構；松耦合與隨需應變是SOA的兩大特點。采用這種體系結構，可以重用已有系統(tǒng)作為分數據中心；允許異構數據的存在和訪問；并且能夠給系統(tǒng)帶來良好的可維護性和可擴展性。新的系統(tǒng)中，最主要的一點變化就是：科學數據將不再統(tǒng)一由“中心”服務器存儲和管理，改為由數據所有者（科研

15、工作者或是科研院所）負責存儲和管理。,數據共享網可維護性解決策略,在科學數據共享網系統(tǒng)中，在不同的層次設計中分別采用了“間接化、封裝、分離”。首先，整個系統(tǒng)的分布式體系結構設計，采用了SOA的體系結構設計，這種設計是將數據共享服務封裝為Web Service，由特定的Web Service提供數據共享服務。 Web Service的引入，將共享數據內容和共享服務實現細節(jié)分離。當實現細節(jié)發(fā)生變化或是增加新的服務時，對原有系統(tǒng)的運行影響很

16、小。在數據中心和安全中心的系統(tǒng)設計上，采用了分層的設計。這是一種間接化的體系結構設計策略，上層的共享服務需要通過數據訪問層提供的接口訪問數據；當底層數據存儲結構變化后，對上層的共享服務的影響較小。數據中心和安全中心的web應用系統(tǒng)采用的是MVC模式，將模型、控制、視圖有機地分離。,空中交通管制http://etutorials.org/Programming/Software+architecture+in+practice

17、,+second+edition/Part+Two+Creating+an+Architecture/Chapter+6.+Air+Traffic+Control+A+Case+Study+in+Designing+for+High+Availability/,系統(tǒng)概況,系統(tǒng)概況,飛機從順利起飛到安全到達目的地，受到空中交通管制系統(tǒng)各個不同部分的管理。地面控制部分負責協調和管理飛機在機場地面上的運動；塔臺控制部分控制飛機在該機場的終

18、端控制區(qū)中的飛行；最后，該系統(tǒng)還有多個中途中心，將整個美國領空劃分為22個責任區(qū)。,初始區(qū)段組（Initial Sector Suite System，ISSS）,ISSS是針對22個中途中心的軟硬件升級系統(tǒng),需求與質量分析,空中交通管制系統(tǒng)若運行不好，可能會造成生命財產損失極高的可用性必須保證系統(tǒng)不能正常工作的時間非常短（一年內停機時間不能超過5分鐘）高性能系統(tǒng)必須保證在不丟失任何數據的情況下對大量數據進行處理；通信網絡

19、必須能夠處理這種負載，軟件必須能夠快速、帶有預測性的進行計算。,ISSS的功能,獲取存儲在主計算機系統(tǒng)的現有空中交通管制系統(tǒng)中的雷達目標數據轉換雷達數據以供顯示，并將其廣播給所有控制臺。每個控制臺選擇自己需要顯示的報告數據，每個控制臺都能夠顯示任何方位的數據處理沖突警告，或其它由主計算機發(fā)送來的數據提供與主計算機的接口，以便于輸入和查詢飛行計劃提供諸如網絡管理等多方面的監(jiān)控信息，允許場站管理員實時地重新配置所安裝的系統(tǒng)提供記錄

20、能力，以供事后回放在控制臺上提供如窗口形式的圖形用戶界面，有必要提供特殊的與安全相關的功能，如顯示的窗口有一定的透明度，以免遮擋住重要信息在主計算機、主要的通信網絡以及主要的雷達傳感器出現故障時，提供一定的后備能力,ISSS系統(tǒng)所處的物理環(huán)境,物理視圖,模塊分解視圖,顯示管理,通用系統(tǒng)服務,記錄、分析與回放,全國空域系統(tǒng)修改,操作系統(tǒng),捕獲交通管制系統(tǒng)中的會話，以備事后分析,進程視圖,ISSS系統(tǒng)按照多處理器的環(huán)境設計。這些處

21、理器在邏輯上組成處理器組。處理器組的目的是要分別運行一個或多個應用程序的副本。其中，一個為主，其他為輔，稱統(tǒng)一應用程序及其不同副本為主地址空間（PAS）和備用地址空間（SAS）。操作單元：一個主地址空間和與其相應的備用地址空間的集合稱為操作單元。功能組：未以容錯方式實現的ISSS系統(tǒng)的其他部分在不同的處理器上獨立運行，稱其為功能組。,進程視圖,添加一個新的操作單元的步驟,如果在SAS內部發(fā)現了錯誤，就要在另外的處理器上啟動新的SAS

22、。新的SAS要與其PAS協調工作，并接收狀態(tài)數據。確定必要的輸入數據及所在的位置；確定哪些操作單元需要用到該新操作單元的輸出數據；以一種使該圖仍然保持非循環(huán)的方式將該操作單元的通信模式加到整個系統(tǒng)的非循環(huán)通信圖中，以免發(fā)生死鎖；設計消息，實現所期望的數據流；確定在進行系統(tǒng)評審時必須要用到的內部狀態(tài)數據，以及在從PAS到SAS的更新通信中必須包括的狀態(tài)數據；將狀態(tài)數據劃分為能夠很好地適應網絡要求的消息；,添加一個新的操作單元的

23、步驟,如果在SAS內部發(fā)現了錯誤，就要在另外的處理器上啟動新的SAS。新的SAS要與其PAS協調工作，并接收狀態(tài)數據。定義必須用到的消息類型；規(guī)劃在PAS失敗時的切換：要對更新數據做合理的規(guī)劃，保證能夠完全反映出各種狀態(tài)；保證在切換發(fā)生時數據的一致性；保證各個處理步驟能夠在不超過一次系統(tǒng)“心跳”的時間內完成；規(guī)劃與其他操作單元的數據共享和數據鎖定協議。,客戶機/服務器視圖,代碼視圖,展示了如何將功能映射到代碼單元上。應用程序

24、被分解為Ada程序包，這些程序包中只有類型定義。打包（packaging）是一種設計活動，其目的是包含抽象和信息隱藏。,分層視圖,容錯視圖,高可用性決定了系統(tǒng)出現故障時不能進行冷啟動。直接（或比較快地）切換到備用組件是必須的。容錯層次捕獲應用程序間的交互的錯誤并從中恢復。,容錯視圖,Summary,圖書管理系統(tǒng),圖書館管理系統(tǒng)中的書籍管理功能：書籍信息類書目類新增書籍界面類刪除書籍界面類書籍管理類,類,,,,順序圖,,協作

25、圖,,軟件體系結構上機案例,學校每一個學生都有兩類書籍第一類是學生常用書籍，另外一類是一些貴重的書籍。對于常用，學生在借閱時 需 要 進 行 登 記 （ Register ）， 自 行 保 管 ， 但 在 損 壞 時 需 要 進 行 注 銷（Cancellation）和賠償。而對于貴重書籍必須通過對外書籍管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管 理。在使用時需要辦理租借（Lend）手續(xù)。需要注意的是，對于一般學生，只能借與自己專業(yè)相關的書籍（也

26、就是本部門內的書籍），而對于研究生，則可以借所有類型的書籍。由于書籍分布在不同的地理位置。開發(fā)一套書籍倉庫管理系統(tǒng)（Book Warehouse System, BWS）。,,BWS 主要分為兩個部分第一部分是學生與書籍信息管理系統(tǒng)（Student and Book Management System, SBMS），詳細記錄書籍的借、還狀態(tài)，學生可以通過本地學校局域網（Intranet）查詢自己書籍的借還情況，并發(fā)出對貴

27、重書籍的請求。對于本地沒有的特殊書籍，員工可以使用 SBMS 通過互聯網（Internet）在全國圖書倉庫中查找特定書籍，并發(fā)出借用該書籍的請求。第二部分是一個書庫的實時管理系統(tǒng)（Book Warehouse Management System ,BWMS），位于不同位置的的書庫，在提取具體書籍時，用戶需要到具體的書庫進行書籍的提取。,,BWMS的具體要求如下。 書庫的實時管理系統(tǒng)中存在多個書籍抓取機器人，每個機器人都可從書柜上

28、獲取書籍并將其放在傳送帶上，傳送帶裝置根據重量傳感器得知是否有書籍在傳送帶上，并將書籍傳送到出口處。用戶在的出口處向書籍管理員提交書籍租借請求，由管理員將該請求輸 入書庫控制電腦，電腦控制書庫中的機器人抓取相應的工具并將其放到傳送帶上，一旦機器人出現故障，將通知控制電腦以便及時進行維修。帶開發(fā)的軟件系統(tǒng)需要能夠將分布在控制電腦，機器人以及傳送帶上。（不考慮書籍歸還系統(tǒng)）,,1）書庫管理系統(tǒng)（Book Warehouse System,B